В поисках эзотерики.
Часть 2.5
О Фазокогерентных акустических системах.
Когере́нтность (от лат. cohaerens — находящийся в связи) — согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении. Колебания называются когерентными, если разность их фаз остаётся постоянной во времени и при сложении колебаний определяет амплитуду суммарного колебания.
Когерентность волны означает, что в различных точках волны осцилляции происходят синхронно, то есть разность фаз между двумя точками не зависит от времени. Отсутствие когерентности, следовательно, ситуация, когда разность фаз между двумя точками не константа, а почти случайно «скачет» со временем (сбои фаз). Такая ситуация может иметь место, если волна была сгенерирована не единым излучателем, а совокупностью одинаковых, но независимых (то есть нескоррелированных) излучателей.
Изучение когерентности световых волн приводит к понятиям временной и пространственной когерентности. При распространении электромагнитных волн в волноводах могут иметь место фазовые сингулярности. В случае волн на воде когерентность волны определяет так называемая вторая периодичность.
Без когерентности невозможно наблюдать такое явление, как интерференция.
[Википедия]
Вступление длинное, но хорошо написано. Жаль было резать. Попробуйте набрать в яндексе «Фазокогерентность», вы попадете на аудиофильские форумы, или рекламу колонкостроительных контор, запугивающих научными фразами в рекламе «неподготовленный» электорат. Фазокогерентно – значит круто. (Типа, если у нас и до этого руки дошли, то остальное и подавно в ажуре…J). И почти все. Есть еще картинки, демонстрирующие в меру корректную передачу колонками килогерцового меандра (на оси). А о субъективном восприятии только письмо в редакцию одного «научного» аудио журнала (очень любопытное, кстати, произведение).
До фазокогерентности у меня руки дошли практически случайно. Никогда не считал ее атрибутом высокого конца, за который надо проливать литры крови. Скорее как побочный процесс стремления к идеально-измеряемому звучанию. К когерентности я не стремился, и волшебного ее действия не ощущаю. Интерес появился после измерения квадратом своих полочников. Они оказались вполне фазокогерентны в двадцати градусах ниже оси, чего я никак не планировал (рисунка пока нет, возможно, позже). Это открытие натолкнуло меня на мысль, что само понятие фазокогерентности акустических систем есть понятие маркетинговое, что я и попробую аргументировать ниже.
1. Создание истинно когерентных в пространстве, не однополоных акустических систем невозможно. Это означает, что из любой точки пространства расстояние до фазовых центров двух (или более) излучателей должно быть одинаковым – то есть фазовые центры должны совпадать. Это будет широкополосник… (в некотором приближении, так как и там фазовые центры для разных частот могут быть разнесены на 10-20мм). Или некий распределенный излучатель, с единым общим центром, простейшим случаем которого будет МТМ. К сожалению, в этом случае когерентность также не обеспечивается. Сложение излучений от двух среднечастотников приведет к взаимной интерференции, сужению диаграммы направленности и росту длительности переходного процесса. Это произойдет за счет усреднения фронта музыкального сигнала от двух источников, один из которых всегда спешит, а второй всегда опаздывает. (рисунок, фиолетовая кривая) В результате тело прямоугольного импульса получит похожие искажения, что и в некогерентной системе (рисунок, синяя кривая).
2. Оценить влияние величины фазовых искажений на субъективное качество звучания проблематично. В случае постановки экспериментов, попутно с расстоянием до излучателей будут меняться характер диаграммы направленности, дифракционные и интерференционные искажения. Все это, безусловно, будет в разной степени выявлено при прослушивании, но определить весовые доли каждой составляющей не представляется возможным. Искусственное увеличение фазовой задержки вплоть до границы заметности, (например, в 10-100 раз больше типично встречающихся) не будет достоверным, хотя и может дать обильную пищу для размышлений.
3. С искажениями временной структуры музыкального сигнала бороться надо так же, как и со всеми другими искажениями. Поскольку реально оценить их опасность затруднительно, полностью исключить нереально, остается искать пути минимизации последствий явления.
Рассмотрим поведение системы из двух излучателей (ВЧ и НЧ), и сложение их излучений в пространстве. Меандр при этом разложится (при некотором упрощении) на подобные составляющие:
(необходимо заметить, что в данном случае нижняя граничная частота системы не ограничена).
При сложении «в фазе» прямоугольный импульс удастся восстановить без потерь. Если же низкочастотная составляющая получит временную задержку (из-за дополнительного пробега), то появятся искажения фронта импульса: (желтая – вид импульса, фиолетовая – величина ошибки). Картина типична для излучения по оси и в верхней полуплоскости излучения колонок.
Аналогичная картина будет, если задержится ВЧ составляющая: (желтая – вид импульса, фиолетовая – величина ошибки). Картина типична для излучения в нижней полуплоскости колонок.
В реальных колонках, названых фазокогерентными, картина взаимодействия излучателей будет выглядеть так:
Не факт, что суммарная фазовая ошибка (по телесному углу) у «фазокогерентной» системы будет меньше, чем у «не фазокогерентной», так как разница набега фаз, при отклонении от оси, у второй может меньше, и с меньшей флуктуацией.
В случае классических (в линию) МТМ систем (рисунок выше), можно говорить о снижении величины ВЧ составляющих искажений в «собранном» импульсе, за счет роста НЧ составляющих (из-за удвоения разницы пробега волны от мидбасов, см. рисунок). То есть в этом случае фронт будет воспроизведен корректно, но «тело» импульса получит дополнительные деформации. Естественно, искажения будут симметричны относительно «оси когерентности», что тоже плюс.
Вообще - же форма вносимых искажений наводит на аналогии с динамическими искажениями двухтактных каскадов транзисторных усилителей, с некоторыми оговорками. Так как возникают при воспроизведении только принципиально когерентных и широкополосных сигналов. В музыкальном сигнале такими сигналами могут быть признаны, на мой взгляд, рабочие барабаны (широкий шумоподобный спектр), струнные (длинный шлейф гармоник с биениями) и, наверное, все (ИМХО). Остальные звуки сами являются продуктом временных искажений, размером на порядки более, вносимых акустическими системами. Имеется в виду и доплеровские эффекты, коррекция при записи и на этапе сведения, модуляции голоса (основной спектр которого лежит ниже рассматриваемых частот), и прочее. Повторюсь еще раз – субъективно установить характер «звучания» фазовых искажений и их количественное влияние на ухудшение качества воспроизведения, мне не представляется возможным, вследствие невозможности отделения их от смежных искажений. Но эффект есть – надо с ними биться.
Пути снижения временных искажений колонок связаны с двумя основными факторами. Это величина частоты раздела и расстояние между фазовыми центрами излучателей. Снижая эти величины, мы уменьшаем ошибку при воспроизведении сигналов. Имеется в виду ошибка, суммарная по телесному углу излучения колонок (то есть в пространстве).
При снижении частоты раздела снижается относительная величина искажений. То есть запаздывание на 0.1мс на частоте 800Гц и на частоте 3кГц есть вещи принципиально разные. При сближении фазовых центров снижается абсолютная величина искажений. То есть для всех составляющих, например, происходит уменьшение дельты фаз на N-дцать процентов. Это наиболее простой путь, но после определенного момента, дальнейшее сближение излучателей становится затруднительным.
В случае «не экстемального» сближения могут применяться следующие способы:
1.Применение СЧ головки минимально-возможного диаметра фланца (применение ограничено, поскольку основополагающей в конструкции часто является именно СЧ драйвер).
2.Применение ВЧ головки мини-форм фактора (в этом случае гарантирована активная дифракция на ВЧ от расположенного рядом СЧ, плюс затруднительно, ввиду худшего выбора среди таких головок).
3.Установка динамиков фланцами вплотную друг к другу (без комментариев).
Дополнительно в случае «экстремального» сближения:
1.Подрезка фланца ВЧ вплоть до магнитной системы (необходима высокая точность механической обработки фланцев и корпусов).
2.Установка фланца от мидбаса поверх фланца ВЧ головки (необходима высокая точность при изготовлении корпусов и тщательная герметизация плоскости прилегания фланца СЧ головки, см. конструкции Георгия Крылова).
3.Установка МТМ систем не в линию, а в виде равнобедренного треугольника, с ВЧ головкой посередине. При этом расстояние между мидбасами сокращается минимум на 5см, а максимум – в два (!) раза. При этом возможно безболезненно поднять частоту раздела.
4.Установка динамиков со смещением к вертикальной оси, вплоть до горизонтального расположения, переводя (частично либо полностью) фазовые искажения в другую плоскость.
Вывод: термин «фазокогерентность» на практике неприменим к многополосным акустическим системам. При этом средства, позволяющие уменьшить потенциально негативное влияние эффекта, используются редко и почти никогда не учитываются в реальных конструкциях. Список этих средств весьма скуден, а их применение не дает существенного эффекта в колонках без грубых просчетов в конструктиве.
\Dxx573k\ г.Рязань
Август- сентябрь 2007г.